DE2326466A1

DE2326466A1 - Gestaltung des letzten laufgitters mehrstufiger turbinen

Info

Publication number: DE2326466A1
Application number: DE2326466A
Authority: DE
Inventors: Claude Dr Seippel; Arnulf Dipl Ing Teufelberger
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1973-04-30
Filing date: 1973-05-24
Publication date: 1974-11-14
Also published as: DE2326466B2; CH557468A; GB1462470A; JPS5013703A; FR2227425B1; FR2227425A1; CA999526A; US3953148A

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Gestaltung des letzten Laufgitters mehrstufiger Turbinen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbine axialer Bauart, die von einem kompressiblen Arbeitsmittel durchströmt ist und mindestens zwei aus je einem Leit- und Laufgitter bestehende Stufen aufweist.

Hoher Wirkungsgrad, Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit sind die wichtigsten Kriterien, die der Turbinenkonstrukteur beachten muss. Billige und betriebssichere Maschinen erzielt man durch wenig-stufige Turbinen. Eine Erhöhung der Stufen-" zahl führt zweifellos zu besseren Wirkungsgraden, gleichzeitig jedoch durch die dadurch bedingte grössere Baulänge zu vermehrten Kosten sowie allgemein zu einer Verminderung

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der Betriebssicherheit.

Ein bekanntes Optimierungsverfahren im Turbomaschinenbau (Buch von Dzung "Flow Research On Blading", Verlag Elseviar Publishing Company, Amsterdam, 1970, S. 26 - 28), das auf eine Verkürzung der axialen Erstreckung der Beschaufelung und somit auf kürzere Maschinenbaulänge abzielt, ist die Anwendung des Mehldahl-Kriteriums M , das beim besonders wichtigen Fall der Reaktionsturbine (50 % Reaktion, symmetrische Leit- und Laufgitter) folgenden Ausdruck hat:

M_{L =}

ⁱⁿ

Hierhin bedeuten:

b die Gitterbreite senkrecht zur Gitterebene t die Schaufelteilung

W das Widerstandsmoment des Schaufelprofils

\) das Verhältnis der axialen Strömungsgeschwindigkeit zur Umfangsgeschwindigkeit

yu das Verhältnis der tangentialen Geschwindigkeitsänderung beim Durchtritt durch das Schaufelgitter zur Umfangsgeschwindigkeit.

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Ziel des Turbinenkonstrukteurs ist₃ bei möglichst gutem Wirkungsgrad ein möglichst kleines M zu erreichen.

Bei einer Maschine mit vorgegebener Drehzahl wird aufgrund technischer und wirtschaftlicher Ueberlegungen der mittlere Durchmesser einer Stufe bestimmt. Folgende auf die Mehldahl-

Ziffer M wirkende Massnahmen können ergriffen werden: Li

1. Möglichst kleines Verhältnis (b² . t)/W. Die Biegekräfte auf die Beschaufelung erfordern bei vorgeschriebener Höchstbelastung des Schaufelmaterials ein bestimmtes, der Schaufelteilung proportionales Widerstandsmoment.

2
Ein kleines Verhältnis (b · t)/W führt zu Schaufelprofilen, welche im Verhältnis zur Sehne dick sind (z.B. Schaufelprofile 10 in der später beschriebenen Figur 2). Nach heutigen Erkenntnissen erreichen sie trotzdem gute Wirkungsgrade, und gestatten kleine Gitterbreiten b und somit kurze Beschaufelungen.

2. Eine Erhöhung der axialen Strömungsgeschwindigkeit führt zu kleineren Schaufelhöhen. Sowohl die gleich gross bleibenden Tangentialkräfte als auch die bei gleichbleibendem Druckgefälle aufgrund der reduzierten Angriffsfläche kleiner werdenen Axialkräfte wirken an einem kürzeren Hebelarm. Die geringeren Biegemomente gestatten schmälere Schaufelgitter und führen damit zu kürzeren

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Turbinen.

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3. Eine vergrösserte tangentiale Geschwindigkeitsänderung beim Durchtritt durch das Schaufelgitter zur Vergrösserung des Stufengefälles ist eine oftmals angewandte Massnähme. Bei •gegebener Umfangsgeschwindigkeit wird hierdurch eine Vsrringerung der Stufenzahl· erreicht. Allerdings wird das Biegemoment auf die einzelnen Schaufeln grosser, so dass die einzelnen Gitter etwas breiter werden, jedoch überwiegt bei der Betrachtung der Maschinenlänge der Einfluss der Stufenzahl.

Im Turbinenbau ist es üblich, dass bei einer nach Optimierungsmethoden ausgelegten Stufengruppe die Zunahme der durchströmten Querschnittsflächen von Stufe zu Stufe durchwegs im Rahmen der Volumenzunahme des Arbeitsmediums oder darunter liegt. Die Strömungsgeschwindigkeiten bieiben daher von Stufe zu Stufe gleich oder wachsen noch an. Die am Austritt einer Stufe vorhandene Geschwindigkeitsenergie, welche nicht in mechanische Arbeit verwandelt worden ist, wird,sofern die Stufe nicht die letzte ist, in der darauffolgenden Stufe zum grösseren Teil (60 % oder mehr) verwertet.

Von Machteil ist die Tatsache, dass die am Austritt des letzten Laufgittern vorhandene kinetische Energie, zumindestens die der tangentialen Geschwindigkeitskomponente nur zu einem kleinen Teil in einem Diffusor ausgenützt werden kann. Bei

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stationären Anlagen fehlt meistens der Platz für einen guten Diffusor, so dass man oft einen gänzlichen Verlust der Austrittsenergie in Kauf nimmt.

Aufgabe der Erfindung ist es, im Verhältnis des zur Verfügung stehenden Arbeitsgefalles die Austrittsenergie aus dem letzten Laufgitter zu verringern.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Austrittsströmungsquerschnitt aus dem letzten Laufgitter im Vergleich zum Austrittsströmungsquerschnitt des vorletzten Laufgitters um etwa 10 - 4-0 % grosser bemessen ist als es dem Verhältnis des zunehmenden Volumens des Arbeitsmittels entspricht.

Durch die erfindungsgemässe Gestaltung des letzten Laufgitters ergibt sich durch die Verminderung der AustrittsVerluste ain höherer Wirkungsgrad der Turbine.

Den Austrittsströmungsquerschnitt des letzten Laufgitters vergrössert man durcli eine Erhöhung des Verhältnisses Kanalbreite q zur Schaufelteilung t, was einer Vergrösserung des Schaufelwinkels entspricht, und/oder durch eine Zunahme der durch-, strömten Kreisringfläche, was eine Verlängezumg der Schaufelhöhe und eine Veränderung eines oder beider die Kreisringfläche bestimmenden Durchmesser bedeutet.

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Bei stark gefächerten Schaufelgittern, wie man sie für die Verarbeitung grosser Strömungsvolumina braucht, ist zusätzlich zu berücksichtigen, dass die Anströmgeschwindigkeiten längs der Schaufel sowohl in tangentialer als in axialer Richtung variieren. In tangentialer Richtung wegen den verschiedenen Umfangsgeschwi-ndigkeiten der Schaufelschnitte, in axialer, weil die Herstellung des Kräftegleichgewichtes die räumliche Strömung in stark gefächerten Beschaufelungen verzerrt· Statt die Winkelöffnung der letzten Schaufelreihe gleichmässig auf der ganzen Schaufellänge zu verändern, kann man sie von Schnitt zu Schnitt längs der Schaufel so verteilen·, dass lie Geschwindigkeit nicht nur im Ganzen herabgesetzt wird, sondern dass deren Profil in axialer und tangentialer Richtung geglättet wird. Allerdings erfordert dies Schaufeln mit verdrillten Profilen, welche bekanntlich kostspielig sind. Aber man kommt mit der Verdrillung der letzten Laufschaufel allein, eventuell einer schwachen vereinfachten Verdrillung der letzten Leitschaufel aus und hat beinahe denselben Vorteil, wie wenn man mehrere oder alle Schaufelreihen verdrillen "tfü

Ist für eine Stufengruppe ein zu verarbeitendes Gefälle vorgegeben, so müssen, da das Gefälle des letzten Laufgittern durch die erfindungsgemässe Massnahme vermindert ist, die dem letzten Gitter vorangehenden Gitter zwangsläufig ein um dan verminderten Betrag grösseres Gefälle verarbeiten.

Zu diesem Zweck wird der Aur;Strömquerschnitt der betreffenden

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Gitter um einen dem kleineren Arbeitsgefälle des Letzten Laufgitters entsprechenden Betrag kleiner bemessen. Die dabei anfallenden Mehrverluste sind jedoch wesentlich geringer als die Verlustminderung im letzten Laufgitter und am Austritt der Beschaufelung.

Den Austrittsströmungsquerschnitt aller dem letzten Gitter vorangehenden Gittern verkleinert man durch eine Verringerung des Verhältnisses Kanalbreite q zurTeilung t₅ was einer Verkleinerung des StrömungswinkeIs entspricht, und/oder durch " eine Verkleinerung der durchströmten Kreis ring-f lache, was eine Verkürzung der Schaufelhöhe und eine Veränderung eines oder beider die Kreisringfläche bestimmenden Durchmesser bedeutet.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes vereinfacht dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnitt durch den Strömungskanal einer Turbine,

Fig. 2 einen Schaufelplan als Abwicklung eines Zylinderschnittes durch den Strömungskanal nach Fig. I₃

Fig. 3, M-, 5 Vektordiagramme der Geschwindigkeiten zur Erläuterung der aus der Krfindung sich ergebenden Wirkungsweise.

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In Fig. 1-, welche eine dreistufige Turbine darstellt, sind durch die Bezugszeichen 1 der Stator, 2 der Rotor, 3, 5 und 7 die Leitschaufeln, 4, 6 und 8 die Laufschaufeln und 9 dzv Austrittsdiffusor benannt. 11 - 11'· ist ein Schnitt senkrecht zur Maschinenachse vor dem ersten Gitter, 12 - 12' ist ein Schnitt zwischen dem vorletzten und dem letzten Gitter, 13- 13' ist ein Schnitt nach dem letzten Gitter. Von 11 - 11' bis 12 - 12' nimmt der Strömungsquerschnitt entsprechend der Volumenzunähme des Arbeitsmittels oder weniger zu. Von 12 - 12' bis 13 - 13' nimmt der Austritts-Strömungsquerschnitt aus dem letzten Laufgitter wesentlich stärker zu als es dem Strömungsvolumen entspricht und zwar durch eins Verlängerung der Laufschaufeln 8 und einer entsprechenden Erweiterung der Kreisringfläche

Zur Erläuterung der Wirkungsweise seien die Fig. 3 und U näher betrachtet.

Fig. 3 stellt das übliche Vektordiagramm der Geschwindigkeiten in einer Stufe einer Reaktionsturbine mit symmetrisch gleichen Leit- und Laufschaufeln dar. oa ist die axiale Strömungskomponente, von welcher vorerst vorausgesetzt wird, sie bleibe von Gitter zu Gitter gleich, oa ist gleichzeitig die

Zuströmgeschwindigkeit zum ersten Leitgitter, oc ist die . absolute Geschwindigkeit aus den Leitgittern. Ö3_ist dieselbe Geschwindigkeit relativ zu den Laufschaufeln, oe ist die relative Ausströmgeschwindigkeit aus den Laufgittern. Ihr Absolutwert ob ist gleichzeitig die Eintrittsgeschwindigke.it

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in die folgenden Leitgittern.

Fig. 4 zeigt das aufgrund der Neuerung veränderte Vektordiagramm aus Fig. 3. Die relative Ausströmgeschwindigkeit oe" aus dem letzten Laufgitter wird kleiner. Dementsprechend reduziert sich die absolute Geschwindigkeit von ob in Fig.3 auf ob". Um das vorgegebene Gesamtgefälle verarbeiten zu können, erhöhen sich an allen dem letzten Gitter vorangehenden Gittern die Geschwindigkeiten oa,..oe in Fig» 3 auf oa'...oe'.

Im Schaufelplan gemäss Fig» 2 sind gleiche Teile mit demselben Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Die Schaufel 8 zeigt ein Schaufelprofil 10 mit starker Umlenkung, das die Verarbeitung grosser Gefalle gestattet. Eines besseren Ueberblicks wegen sind für alle Schaufelgitter gleiche Schaufelteilung t sowie für alle dem letzten vorangehenden Gitter gleiche Kanalbreite q angenommen. Die erfindungsgemässe Querschnittserweiterung des letzten Laufgitters geschieht durch eine Vergrösserung der Kanalbreite q.

Fig. 5 zeigt das der Schaufelanordnung gemäss Fig. 2 entsprechende Geschwindigkeitsdiagramm. Die Axialgeschwindigkeit oa ist von Eintritt bis Austritt der Beschaufelung gleich gross Die Geschwindigkeiten ob'...oe' sind aufgrund der zur Beibehaltung des Gesamtgefälles getroffenen Massnahme "etwas höher als ob...oe.in Fig. 3. Im letzten Laufgitter ist die relative Geschwindigkeit durch die vergrösserte Schaufelöffnung von

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pe in Fig. 3 auf oe" zurückgenommen. Dementsprechend wird die absolute Geschwindigkeit ob" kleiner,

Anstelle von dem in Fig. 2 gezeigten Profil 10"können die Schaufeln selbstverständlxch irgend ein beliebiges Aktionsoder ReaktLonsprofil aufzeigen.

Gemäss Fig. 2 sind die Schaufelteilung t bei allen Gittern und die Kanalbreite q bei allen dem letzten Gi.tter vorangehenden Gittern gleich gross dargestellt. In'Abweichung
hiervon liesse sich eine Anordnung gestalten, bei welcher die Schaufelteilung t und/oder die Kanalbreite q für mindastens zwei Stufen oder für mindestens zwei Gitter verschieden gross sind.

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Claims

- 11 - 49/73 D Patentansprüche

1. /Turbine axialer Bauart, die von einem kompressiblen Arbeitsmittel durchströmt ist₃ und mindestens zwei aus je einem Leit- und Laufgitter bestehende Stufen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritts-Strömungsquerschnitt aus dem letzten Laufgitter im Vergleich zum Austritts-Strömungsquerschnitt des vorletzten Laufgitters grosser bemessen ist als es dem Verhältnis des zunehmenden Volumens des Arbeitsmittels entspricht.·

2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

eine Erhöhung des Verhältnisses Kanalbreite (q) zur Schaufel- · teilung (t) und/oder eine Erweiterung der durchströmten Kreisringfläche der Vergrösserung des Austritts-Strömungsquerschnitts des letzten Laufgitters dient.

3. Turbine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines gleichmässigen Geschwindigkeitsprofils in axialer und tangentialer Richtung das Verhältnis Kanalbreite (q) zur Schaufelteilung (t) längs den Schaufeln (8) des letzten Gitters veränderlich ist.

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- 12 - 49/73 D

it. Turbine nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, dass zur Beibehaltung eines vorgegebenen Arbeitsgefälles der Austritts-Strömungsquerschnitt aller dem letzten Gitter vorangehenden Gitter um einen dem durch die Querschnittsvergrösserung des letzten Laufgitters bedingten kleineren Arbeitsgefälles entsprechenden Betrag kleiner bemessen wird.

5· Turbine nach Anspruch 1 und H, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verkleinerung des Verhältnisses Kanalbreite (q) zur Schaufelteilung (t) und/oder eine Verringerung der durchströmten Kreisringfläche der Verkleinerung des Austritts-Strömungsquerschnittes aller dem letzten Gitter vorangehenden Gitter dient.

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